配气工计量知识讲座(二)

配气工计量知识讲座第二讲孔板流量计（上）一、概述孔板流量计是差压式流量计类中的一种。人类通过节流的方法来测量和控制流量可以追溯到遥远的古代，例如古罗马的民用供水，中国古代的铜壶滴漏计时（用知道流量的方法来间接知道时间）。公元十八世纪国际知名物理学家卡斯特里、皮托、托里折利、伯努利等人对其进行了大量的理论研究奠定了利用测量差压进而测量流量的理论基础。上世纪二十年代以来，美国和殴州又对其进行了大规模的实验研究，使得以孔板、喷嘴、文丘里管作为节流件的流量测量装置得以逐步标准化和商业化生产制造，而广泛应用于各种流量计量场合，特别是天然气计量场合。1980年，终于产生了它的国际标准ISO5167。节流件孔板的种类有很多，分别适用于不同的计量条件。例如有同心圆孔板、圆缺孔板、偏心孔板、锥形入口孔板、双斜孔板等。其中标准化程度最高，实验最成熟的数同心圆锐孔板，称为标准孔板。孔板流量计是一套组合测量系统，其中孔板节流装置（如常用的孔板伐）为差压发生装置，称为一次部份；二次部份为各种机械、电子、机电一体式差压计、变递器等差压检测和流量积算等仪表。这相当于用杆秤称重，其一次部份为秤铊，二次部份为秤杆。仅有秤铊或秤杆是不能用来秤量的。由于非标准的孔板流量计使用较少，故本讲座主要讲解标准孔板流量计，即以同心圆锐孔板作为节流元件的孔板流量计，我公司现使用的均属于此类。二、测量原理充满管道的流体（例如天然气），当它流经管道内的节流件时（例如标准孔板），流体流速在孔板开孔处将形成局部收缩，因而流速加快，则其静压力降低。于是在孔板前后便产生了压差。理论和实验证明，流体流量越大，产生的差压就越大，这样就可以通过检测差压的大小来衡量流量的大小。这种测量方法是以流动连续性方程（质量守恒定律）和伯努利方程（能量守衡定律）为基础的。差压的大小不仅和流量还与其它许多因素有关，例如流体的物理性质不同，其所产生的差压也是不同的。按照上述原理进行流体流量测量，其结果可按下面两式计算：qm＝41C.ε.1242pdqmqv式中：qm—质量流量，skg（千克/秒）qv—体积流量，m3/s(立方米/秒)C—流出系数ε—可膨胀性系数Dd/,＝直径比（孔板开孔直径除以测量管内径）d—工作条件下孔板孔径，m(米)D—工作条件下上游管道内径，m)(帕差压，ap31/kmg－－上游流体密度，（千克/立方米）由上式可见，流量随着C、ε、d、、、六个参数的变化而变化。这六个参数中d（孔板开孔直径）、（密度）、（孔板开孔直径与管道直径之比）、p为测量值；C与ε不能通过实测得到，可通过相应软件计算得出，其实际值与计算得出的值（标准值）之差即为测量系统的误差来源之一。三、孔板流量计的组成如前所述，孔板流量计为组合测量系统，分为一次部份和二次部份。1、一次部份。一次部份实为差压发生装置，它的功能就是产生符合要求的差压（在节流件孔板两侧产生的压力差）。它的组成及在管路中的安装见下图。上图中,l1和l2分别为孔板前后等直径的直管段部份。其中上游侧10D长度（D为直管段的内径）和下游侧4D长度应采用机械加工使其达到光滑管要求，与孔板及夹持器（对孔板伐而言指伐体及相关元件）成套供货。10D与4D长度的直管段分别称为前后测量管。其余长度的直管段可选用新轧制的等径无缝钢管与测量管连接，其要求为用肉眼目测管段应是直的和圆的，但其与测量管连接处不得有任何异物（如焊瘤、垫片等）突入管腔，以避免对流体流态的扰动。l1、l2内除测量管外的直管段与测量管的错边量不应大于测量管平均内径的±2%为合乎要求。以上为一次装置现场安装中最基本也是极为重要的技术要求。l1、l2长度由设计给定。图中的所谓阻流件是指流程中必需的阀门、弯头、三通、大小头等管路附件。孔板流量计的取压方式有多种，最常用的有角接取压和法兰取压两种。所谓取压方式的不同是指取压孔中心至孔板上、下游端面的距离不同。如角接取压则此距离为零；法兰取压其距离为25.4±0.5mm(D小于150mm)或25.4±1mm(D大于或等于150mm至1000mm)。取压方式不同，其实用流量计算公式是不同的。我们常用的高级孔板伐为法兰取压。2、二次部份。孔板流量计的二次部份就是把节流装置（孔板伐）产生的差压量值实时地检测出来，为最终的流量计算创造必要条件。因为节流装置只是产生了差压，而确定差压的大小准确值则需要二次部份来完成。传统的孔板流量计一次部份和二次部份是分开供货的。现也有供货厂商将其集成于一体。最早使用于差压测量的是U型管水银计，不仅准确度低，且水银蒸汽泄露易使值班工人汞中毒。后多用机械式双玻纹差压计，采用开方不等分圆形记录卡片每24小时一张连续记录差压与静压力，后使用求积仪求得平均差压格数再代入有关公式计算得出其日流量。双玻纹差压计的准确度为1级。随着计算机技术的发展，孔板流量计测量系统中的二次部份和积算部份已逐步为变递器（见图二）与流量计算机所代替。常用的差压变送器的原理是差压作用于变送器的膜合上，膜盒受力产生的位移改变电容量，并由电路输出相应的电流信号（4～20mA），再经模数转换成为数字信号后送入流量计算机进行处理。此类变送器在国内市场上的品牌均性能可靠，准确度可达0.1％，甚至0.075％。由于使用了电容技术，使变送器不受温度、静压、震动和电压的影响。（图二）使用变送器加流量计算机作为二部份有如下优点：①大大减轻了值班人员的工作强度，且可完全避免人工操作可能产生的粗大误差；②整个测量系统的准确度有所提高；③由于变送器可以在露天工作，则其与节流装置连接的导压管不必再引入仪表室，使导压管长度大为减少，仪表室防火等级要求相应降低。（如可能安装空调）④由于流量计算机有自动补偿功能，对于更换孔板或清洗孔板短时间无差压信号的情况进行补偿，保证了系统的连续性。⑤能记录和保存计量参数和计量历史事件，便于查询和计量事故分析。⑥有自动报警和数据远传功能，极大地方便了计量管理工作。二次部份的安装应注意以下问题：①差压讯号截断伐应选用直通式快速截断伐门；②导压短管内径不得大于讯号伐通流内径；③导压管弯曲应圆滑，弯曲半径不应小于导压管外径的5倍；④导压管对接时，不应有焊瘤突入和内径错位；⑤各接头处不得有任何泄漏；⑥三伐组（平衡伐）应能关闭严实（宜先试验再安装）。四、天然气流量实用计算及流量计算机根据我国石油天然气行业标准SY/T6143－2004《用标准孔板流量计测量天然气流量》，天然气体积流量计算的实用公式为：qvn=AvnCEd2FGεFzFTpP1式中：qvn—天然气在标准参比条件下（标态）的体积流量；Avn—体积流量计量系数，其取值要视所采用的计量单位而定，秒流量、小时流量和天流量其值各不相同；C—流出系数，其值按另行公式计算；E—渐近速度系数，E=(41)-1d—孔板开孔直径mm;FG—相对密度系数；ε—可膨胀性系数；FZ—超压缩系数；FT—流动温度系数；P1—孔板上游侧取压孔气流绝对压力，MPa;△p—差压，Pa.对于非专业人员讲，粗一看上列公式似乎并不复杂，只要有了等式右边的10个参数即可计算出流量。且这10个参数中Avn、E、d、P1、FT、FG、△p7个参数为已知或能通过测量系统直接检出处理而成。但确定C、ε、FZ则极为繁杂，欧美国家对其进行了长期的实验和理论研究。对于我公司配气人员讲，也无必要作详细了解。例如流出系数C它与管径雷诺数ReD密切相关,要求出C又应先求出ReD;；而要求出ReD又必须先知道流量qvns。因此这是一个套循环函数的计算过程，需采用牛顿迭代逼近计算法，逐步逼近直至最后求得符合要求的值。显然，在实际应用中，用以上公式按秒流量实时计算并进行积算（累加）其准确度是比较好的。但非人力所能为，故采用流量计算机来实时进行天然气流量计算及累加成为了最好的选择。流量计算机是专业工控计算机，并非普通个人所用PC机所能承担其功能。其最重要的是应按有关标准规定的数学模型计算瞬时流量和累积流量。因此对它有特殊的要求，主要有：1、微处理器不低于16bit;2、支持浮点数或双浮点数运算；3、内置可调整石英钟，其精度不低于0.1s/24h;4、计算程序应固化不允许用户修改；5、支持4～20mA、1V～5V模拟信号输入；支持数字信号输入输出；6、A/D转换分辨率不低于16bit；D/A转换分辨率不低于12bit;7、能手动或自动输入有关计量参数如孔板孔径等；8、数据采样周期不超过1秒，数据处理及计算周期不超过5秒；存储容量满足数据保存功能。9、有报警、历史事件记录（黑匣子）功能，平均无故障时间不小于3万小时。10、其它作为不间断工作的计算机所必须具备的功能。选择哪一种流量计算机系统作为我们贸易天然气计量的系统，最为重要的是它的计算软件必须经国家授权单位鉴定认可。另外，在使用选定的系统时，应注意代入程序运算的当地大气压值及孔板锐利度修正值；若是采用角接取压的节流装置，还要注意测量管粗糙度修正系数。应审查以上系数所选值是否合乎标准及所使用的场合。对于压缩因子计算，系统可能提供了几种方法，应按SY/T6143进行选取。